在工业和城市污水得到控制之后, 分散于广大农村和小城镇的生活污水成为水体污染的重要来源之一, 如何从源头上有效减少生活污水对水体的污染是当前的研究热点之一。我国生活污水产生量大, N、P营养元素浓度高, 直接排入水体将污染水环境。然而氮磷对于农业生产系统来讲, 是作物不可缺少的营养元素, 通过生活污水的农田回用不仅能够减少污水对水环境的污染负荷, 而且能够有效减少化肥的投入, 对于面源污染的防控和农业的可持续发展有重要意义^[1]。WHO对污水农业灌溉的指导^[2]指出, 耕地每年灌溉1.5×10⁴ m³·hm^-2的生活污水时, 能够提供农田225 kg·hm^-2氮和45 kg·hm^-2磷 (以P₂O₅计)。在缺水地区, 污水回用的主要目标在于解决或缓解区域水资源危机。以色列通过完善的生活污水处理和滴灌等水肥一体化技术, 将70%的生活污水用于农业生产。合理利用生活污水灌溉, 不仅可以节约水资源^[3], 还能提高各类蔬菜^[4-6]和粮食作物的产量^[7-9]。

稻田作为一种特殊的人工湿地系统, 对污水的消纳具有很大的潜力。污水灌溉必须在保证作物和土壤安全的前提下进行, 长期的不当污灌会引起土壤中重金属的累积, 并对农产品质量造成一定影响^[10-13]。而纯粹的生活污水中重金属等有毒有害物质较低, 经过处理达标排放后除了氮磷含量略高外, 其他指标基本能达到农田灌溉水质标准, 对水稻生长发育及粮食安全没有明显的负面影响^[14]。现有稻田对生活污水利用的研究大多关注于稻田湿地对于生活污水中N、P的去除^[15]、稻田田面水氮磷的养分动态变化^[16-17]以及不同布水方式对水稻生长的影响等方面^[18]。生活污水的分次灌溉相当于水肥一体化, 能够提高作物的水分利用率和肥料利用率, 减少对化肥用量的需求。从环境保护的角度来说, 不施肥条件下灌溉污水能够减少农田的N、P流失, 并且增加稻田对污水的消纳量。然而, 生活污水水质受污水来源、当地气候、饮食以及污水处理工艺等因素影响, N、P浓度差异较大^[19], 亟需明确生活污水中N、P浓度对水稻生长和产量的影响。为此, 本研究开展了不同N、P浓度生活污水灌溉水稻的盆栽模拟实验, 研究生活污水对水稻的生长发育、产量构成以及N、P营养吸收利用的影响, 以期为生活污水的稻田利用与合理施肥提供依据。

1 材料与方法 1.1 盆栽设置

供试土壤来自南京市高淳区东坝镇稻田, 土壤类型为脱潜水稻土, 土壤基本理化性质见表 1。实验地点位于江苏省农业科学院内温室大棚。盆栽采用聚乙烯塑料桶 (直径30 cm), 填土厚度30 cm。水稻品种为武运粳23号, 育苗移栽, 每盆3穴, 每穴3株。于2015年6月17日移栽, 10月13日收获。

1.2 实验设计

实验共设置空白不施肥对照 (N0P0)、常规施肥对照 (NcPc) 及4个不同氮磷浓度生活污水处理:低氮低磷N2P2、高氮低磷N4P2、低氮高磷N2P4、高氮高磷N4P4, 每个处理设置3次重复。对照采用自来水灌溉, 污水处理均不施肥, 生活污水来自江苏省农科院家属区化粪池污水, 原水水质见表 2, 重金属含量均满足农田灌溉水质标准 (GB 5084-2005)。通过对化粪池污水进行不同倍数的稀释获得不同N、P浓度的生活污水, 具体见表 3。常规施肥处理氮磷钾的施用量分别为210(N)、70(P₂O₅)、70(K₂O) kg·hm^-2, 磷钾肥全部作基肥, 泡田时溶于水一次性施入; 氮肥分3次施入, 基肥、蘖肥、穗肥TN施用量均为70(N) kg·hm^-2, 且均为溶于水施入。

盆栽水稻整个生长期的用水量及通过污水灌溉带来的N、P含量见表 3。各处理设计的灌溉水量相同, 并依照水稻生长实际需求灌溉。田面水自然下落至2 cm水深时进行灌溉, 每次灌溉量为2~4 L·pot^-1, 保持水层深度在2~6 cm。生长期内共灌溉14次, 基肥、蘖肥、穗肥期的灌溉次数分别为3、3、8次。除施肥组外, 其他处理的灌溉量均为45 L·pot^-1, 由于施肥组水稻生长旺盛, 为避免田面水落干, 实际灌水量偏多。烤田前和收获前让田面水自然落干。污水灌溉处理带入的N、P分别介于468~936 mg·pot^-1和27.3~54.6 mg·pot^-1之间。以常规施肥为参照, 相当于替代32.1%~64.1%的N和11.6%~23.2%的P。

1.3 样品采集与分析

水稻整个生育期内每隔7~10 d采集田面水, 使用荷兰Skalar流动分析仪测定田面水中的TN、TP浓度。由于不同处理间浓度差异太大, 因此将田面水浓度变化图的纵坐标采用了对数转化坐标轴。

在水稻关键生育期 (分蘖肥前、穗分化期、抽穗灌浆期) 测定株高和分蘖。成熟期采集盆栽内全部水稻的籽粒和秸秆, 进行测产并分析产量构成因素。籽粒和秸秆烘干后粉碎测定氮磷含量。植株TN和TP含量按农业行业标准方法测定, 用浓硫酸与双氧水消解样品, 凯氏微量法测定植株全氮含量, 磷钼蓝法测磷, 并计算植株氮磷吸收^[20]。

水稻收获后, 将盆栽土壤混匀后采集土壤样品, 室温风干, 过2 mm土筛, 测定氮磷含量。土壤TP采用硫酸-高氯酸消解, 磷钼蓝比色法测定^[21]。土壤TN按浓硫酸与双氧水消解后用凯氏定氮法测定。

以肥力差减法计算污水中N、P利用效率^[22-24], 具体公式如下:

氮 (磷) 农学利用率 (Agronomic efficiency, AEN/P, 单位kg·kg^-1)=[施氮 (磷) 区作物产量-空白区作物产量]/施氮 (磷) 量

氮 (磷) 吸收利用率 (Apparent recovery efficiency, REN/P, 单位%)=[施氮 (磷) 区作物吸氮 (磷) 量-空白区作物吸氮 (磷) 量]/施氮 (磷) 量

氮 (磷) 偏生产力 (Partial factor productivity, PFPN/P, 单位kg·kg^-1)=水稻产量/施氮 (磷) 量

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel软件对数据进行统计; 采用SPSS中Duncan法对数据进行多重比较的显著性分析 (P < 0.05), 采用Sigmaplot软件制图。

2 结果与分析 2.1 不同处理田面水N、P浓度的变化

不同处理下田面水TN浓度在整个水稻生长期的变化见图 1。不同处理间的田面水TN浓度变化较大, 施肥处理在基肥后2 d内的浓度超过100 mg· L^-1, 蘖肥和穗肥后的3 d内TN浓度也均高于10 mg· L^-1, 并呈现迅速下降的趋势。空白对照田面水TN浓度变化较小, 多数时间小于2 mg· L^-1。污水灌溉处理的田面水TN含量呈现上下波动的变化, 灌溉当日田面水浓度最高, 此后逐渐下降, 高N处理的田面水浓度均高于低N处理。生长前期, 尤其是施肥后一周内, 生活污水处理的田面水TN浓度显著小于施肥处理。在生长后期, 所有处理的田面水TN浓度均小于2 mg· L^-1。

不同处理下田面水的TP浓度在生长期的变化见图 2。不同处理间的田面水TP浓度变化较大, 施肥处理在基肥后2 d内的浓度超过10 mg· L^-1, 之后逐渐下降, 烤田覆水后又急剧增加, 之后又逐渐下降。空白对照田面水TP浓度变化较小, 多数时间小于0.2 mg· L^-1。污水灌溉处理的田面水TP含量几乎均在0.4 mg· L^-1以下, 低于地表水Ⅴ类水标准, 并且高P处理高于低P处理。生活污水处理的田面水TP浓度在生长前期尤其是肥期显著小于施肥处理。在生长后期, 所有处理的田面水TP浓度均小于0.1 mg· L^-1。

2.2 污水灌溉对水稻生长的影响

水稻的主要生长指标见表 4。不施肥处理的株高最低, 常规施肥处理最高, 污水处理各组居中, 并且不同浓度下株高没有显著差异。除了收获期N2P2组株高 (79.5 cm) 显著高于空白对照 (73.0 cm) 外, 污水组株高在整个生长期与空白对照组没有显著差异。蘖肥前期及收获时, 各污水组株高与施肥组没有显著差异, 但分蘖后期施肥组株高显著高于污水组, 说明蘖肥对水稻生长具有促进作用。常规施肥处理分蘖数显著高于污水处理组和空白对照, 污水处理组与空白对照则差异不显著, 污水处理间表现为高氮高磷处理最多。

不同处理下水稻的干物质量及产量构成见表 5。不同处理间秸秆重没有显著性差异, N2P4组与施肥组最高。总籽粒重施肥处理最高, 空白最低, 污水组居中, 为70.84~86.09 g·pot^-1, 其中N4P4处理最高, 与施肥处理最为接近 (90.98 g·pot^-1)。除N2P2外, 其他污水组的总籽粒重与施肥处理没有显著差异。各处理间收获指数没有显著差异 (50.3%~55.3%), 但高N处理组收获指数高于低N处理。在P浓度相同条件下, 高N处理提高了籽粒重和产量; 在N浓度相同条件下, 高P也提高了籽粒重和产量。说明氮磷存在着正交互作用。与常规化肥对照相比, 污水灌溉提高了千粒重、穗粒数和结实率, 但差异不显著, 而穗数显著降低。污水处理中, 千粒重以N4P4组最高, 达到28.19 g, 穗粒数则以N4P2最高 (128.8)。最终产量常规施肥对照组最高, 空白对照最低 (8.61 t·hm^-2), 污水灌溉处理除了N2P2处理外, 其余均显著高于空白对照, 与常规施肥对照则差异不显著, 尤其是N4P4处理, 达到12.19 t·hm^-2, 基本与常规化肥对照持平 (12.89 t·hm^-2)。

2.3 污水灌溉下水稻对N、P的吸收利用

施肥处理籽粒的TN浓度最高, 达到16.1 g·kg^-1, 显著高于空白组和N4P4组, 污水组间籽粒TN浓度没有显著差异, 介于14.7~16.0 g·kg^-1之间 (表 6)。籽粒N积累量介于0.89~1.47 g·pot^-1, 施肥处理最高, 空白对照最低, 不同污水处理间没有显著差异。污水P浓度相同下, 高N污水处理的籽粒N积累量略高于低N处理; 在低N污水投入下, 污水中P浓度的提高略提高了籽粒中N的积累, 但在高N浓度下, P浓度的增加并未增加籽粒N的积累。所有处理的秸秆N浓度和秸秆N吸收差异均不显著。水稻TN积累量介于1.39~2.14 g·pot^-1, N收获指数介于64.0%~73.1%, 处理间均没有显著差异, 但高氮高磷浓度污水处理下水稻的N收获指数最高。

收获后水稻籽粒TP浓度介于2.95~3.32 g·kg^-1, 施肥处理组浓度最高, 显著高于N2P4处理, 与空白处理及其他污水处理没有显著差异; 秸秆P浓度介于1.29~1.54 g·kg^-1, 各处理间没有显著差异, 但施肥组浓度最低。各污水处理中, 同样P浓度下, 籽粒TP含量随着污水中N浓度的增加而有所增加, 但受污水中P的浓度影响不明显。

水稻籽粒和秸秆P积累量分别介于0.20~0.30 g·pot^-1和0.09~0.10 g·pot^-1之间。籽粒P积累量以施肥处理最高, 显著高于空白对照和低氮处理。在污水P浓度一致的条件下, 高N浓度污水处理的P积累量显著高于低N浓度处理。污水中P浓度的增加没有显著增加籽粒P的积累量。秸秆P累积量明显低于籽粒, 且各处理间差异均不显著。水稻TP积累量介于0.29~0.40 g·pot^-1, 与籽粒磷积累量的变化一致, 高N污水处理与常规施肥处理差异不显著, 显著高于空白对照, 低N污水处理显著低于常规施肥处理, 略高于空白对照。P收获指数介于69.3%~75.9%, 各处理间差异均不显著。

2.4 污水灌溉的N、P利用率

各处理下水稻对N、P的利用效率参数见表 7。污水处理下N农学利用率为21.1~30.5 kg·kg^-1, 与施肥对照没有显著性差异。在污水N浓度相同情况下, 高P浓度处理的N农学利用率均高于低P浓度处理; 污水在低N浓度下, P浓度的增加使N的农学利用率从21.1 kg·kg^-1增加到30.5 kg·kg^-1。污水灌溉下N吸收利用率N4P4最低 (36.2%), N2P4最高 (84.6%), 与施肥处理差异不显著。同样, 污水在低N浓度下, 高P浓度处理的N吸收利用率高于低P浓度处理。污水灌溉的N偏生产力介于85.5~169.2 kg·kg^-1, 低N浓度污水处理显著高于施肥对照处理 (64.8 kg·kg^-1); 在同样氮素投入下, 高P浓度污水处理的N偏生产力也略高于低P浓度污水处理。

由于污水中带入的P很低, 而水稻对P的吸收又较少, 污水灌溉处理下P的吸收利用率显著高于施肥对照处理, 表现为随着污水N浓度的增加而显著增加, 随着污水P浓度的增加而明显下降。农学利用率、吸收利用率及偏生产力三个指标规律一致。

2.5 收获后土壤养分状况

本实验污水带入N、P的量较少, 水稻生长所需营养很大部分是由土壤提供的, 收获后土壤TN和TP含量均低于种植前土壤, 表现出一定的下降趋势。常规施肥处理土壤TN和TP含量也出现了下降趋势, 污水处理与常规化肥处理之间差异并不显著。与常规施肥处理相比, 除N4P2处理的土壤TN浓度略高于常规化肥处理外, 其余污水灌溉处理的土壤N、P浓度都略低, 土壤库损失有所升高, 其中N2P4处理损失的N素最多, 达到3.85 g·pot^-1, N2P2损失的P素最高, 达到1.19 g·pot^-1(表 8), 但与施肥组没有显著差异。

对于土壤N库来说, 在污水灌溉中P浓度一致的条件下, 污水中N浓度越高, 收获后土壤N浓度也越高, 土壤库损失的N也越少。当污水N浓度一定时, 收获后土壤N浓度随污水中P浓度的升高而下降, 即污水P浓度越高, 土壤N库损失也越多。对于土壤P库来说, 收获后土壤P浓度随污水中P浓度的增加而增加, 随污水中N浓度的提高而升高, 即污水中N、P浓度越高, 土壤P库损失越少。

3 讨论

生活污水中含有N、P等营养元素, 而N、P对于水稻的生长发育必不可少。在施肥条件下, 污水回用并未减少水稻的产量^[25], 在不施肥条件下, 高负荷污水回用情况下水稻产量也无显著降低^[26], 说明生活污水中N、P能够被水稻吸收利用, 对水稻产量的保持起重要作用。本研究结果表明, 不施化肥条件下污水N、P浓度对于水稻生长和产量有显著的影响。污水灌溉处理在生育前期的株高明显低于化肥处理, 但对水稻成熟期的株高影响并不显著; 污水灌溉处理的分蘖数及穗数显著低于化肥对照, 和前人研究得出的污水灌溉减少了分蘖一致^[27]。这主要是因为污水灌溉N、P带入量仅为施肥对照处理投入氮肥的32.1%~64.1%, 磷肥的11.6%~23.2%。水稻分蘖期是第一个需肥高峰期, 化肥对照处理中蘖肥的施入为水稻分蘖提供了养分来源, 促进了水稻分蘖的发生, 而生活污水灌溉下N浓度较低 (图 1), 不能满足分蘖期大量的养分需求, 从而导致分蘖和最终穗数显著低于化肥对照处理, 仅为化肥对照处理的68.5%~81.1%。污水灌溉处理下, 后期持续的养分输入, 使得分蘖成穗率较高, 而且干物质转运率高, 因此污水灌溉处理的粒重、穗粒数和成穗率均高于化肥对照组, 从而略微抵消了穗数的不足, 使得污水灌溉处理最终的产量并没有显著低于化肥对照处理。这也说明, 污水灌溉要保证水稻高产, 在肥料运筹方面, 必须补施一定的分蘖肥, 保证前期高产架子的形成。薛利红等^[18]和马资厚等^[28]的研究结果也表明, 污水灌溉下在分蘖期配施少量的化肥, 可以保证水稻高产。污水灌溉处理下后期肥料较多 (穗肥到收获期污水带入总养分的64%), 也与施氮或低氮投入下肥料后移能够增加产量的相关研究结论较为相符^[29]。可见, 合理的减量施肥配合污水回用能够保证产量不减少, 但不同污水浓度下适宜的化肥用量还需进一步实验研究。

与施肥处理相比, 污水灌溉均提高了水稻对N、P的利用效率。相对于施肥处理, 污水投入的N、P含量较少, 不能完全满足作物生长需求, 促进了作物对污水及土壤中N、P的吸收利用。此外, 污水灌溉下田面水N、P浓度显著低于常规施肥处理, 相应的氨挥发、径流等损失也相对较少, 因此利用率要高于化肥处理^[30]。污水灌溉有点类似于水肥一体化, 由于养分分散持续投入, 与常规化肥处理相比, 稻田田面水和土壤中N含量不会出现明显的峰值, 从而可有效降低氨挥发等损失^{[28, 31]}, 提高肥料利用率。另外, 水稻土因为长期处于淹水环境, 土壤氧化还原电位的降低能够导致Fe³⁺还原为Fe²⁺, 使Fe结合态磷释放到土壤溶液中, 所以P肥有效性较高^[32-34]。生活污水带入的溶解有机质在矿化时可能进一步降低土壤的氧化还原电位, 从而使P的活性进一步增强。由于P肥在高浓度容易形成沉淀, 而低浓度下大多以吸附态存在, 生物有效性较高^[35]。本研究也证明高氮高磷处理籽粒产量与常规化肥没有显著差异。所以, 生活污水灌溉下水稻磷肥的投入也可适当降低。此外, 生活污水中溶解有机质的投入, 对土壤微生物功能和群落有改善的作用, 能够有效增加土壤微生物多样性^[36], 也能够促进土壤对水稻N、P的供应。收获后土壤中TN、TP均有小幅下降, 主要是因为本研究投入的TN、TP远小于常规施肥处理。但本研究也发现, 常规化肥处理收获后土壤TN、TP浓度同样有所下降, 污水灌溉处理与常规化肥处理之间差异并不显著。这也验证了前人得出的太湖流域水稻仅靠化肥投入难以维持稻田土壤肥力的结果^[37], 也表明在污水灌溉条件下, 需要配合施用一定量的化肥, 甚至有机肥来保持土壤肥力。

大量研究表明, N、P肥配施对于作物增产具有重要作用^[38], 即在合理的施肥条件下, 一种肥料含量较低的情况下, 另一种肥料的增加能够促进产量^[39]。同样, 污水灌溉中污水的N、P投入也存在明显的交互作用。本研究下, N、P浓度增加提高了粒重, 尽管并未显著增加籽粒中N、P浓度, 但籽粒N、P积累量有所增加。在P浓度相同条件下, 高N处理提高了籽粒重和产量; 在N浓度相同条件下, 高P也提高了籽粒重和产量。说明N、P存在着正交互作用。水稻对污水中N的吸收利用与污水中的N、P浓度密切相关, P浓度的增加不同程度地促进了N农学利用率、吸收利用率和偏生产力。另外, 污水中的K浓度很高, 整个生长期生活污水带入的K相当于施K肥 (以K₂O计)90 kg·hm^-2, 因此污水灌溉带入的K对水稻生长的作用也不容忽视^[40-41]。

污水中N、P的浓度对于收获后土壤N、P浓度也有一定的影响。首先, 根据实验结果, 在污水提供的P素一定的条件下, 污水带入越多的N, 收获后土壤N浓度越高, 土壤提供的N就相对减少; 在污水提供N素一定的条件下, 污水带入越多的P, 收获后土壤P浓度也越高, 土壤提供的P也相对减少。对于同一元素, 生活污水和土壤共同供给植物, 污水中N、P的浓度越高, 或者说供给量越大, 收获后土壤N、P的浓度下降越少, 这才能保证土壤肥力在不施肥的情况下能够保持平衡和可持续利用。其次, 在污水P浓度一致的条件下, N浓度越高, 收获后土壤P浓度没有显著减小, 即N的增加并未促进土壤P的供给; 在污水中N浓度一定的条件下, 污水中P浓度越高, 收获后土壤N浓度越小, 即土壤为作物提供更多的N。这表明污水灌溉条件也要通过P肥来保证P的供给, 促进水稻对N的吸收利用。

4 结论

在正常灌溉与不施化肥条件下, 污水TN、TP浓度与水稻的生长指标和产量密切相关, 污水灌溉处理可明显提高穗粒数、千粒重、结实率和分蘖成穗率, 但由于分蘖期供肥不足, 分蘖数和最终成穗数显著低于常规化肥处理, 最终导致产量低于常规化肥处理。当污水中TN浓度达20~25 mg· L^-1、TP浓度达1.0~1.5 mg· L^-1时, 不施任何化肥条件下水稻产量即可达到常规化肥处理的95%, 两者差异不显著, 此时污水灌溉中带入的N仅为常规施肥处理N用量的64.1%和P肥用量的23.2%。

污水灌溉提高了水稻的N、P利用效率。水稻对污水中N的吸收利用与污水中的N、P浓度密切相关, P浓度的增加促进了N的农学利用率、吸收利用率和偏生产力的提高。

污水灌溉明显降低了水稻施肥期的田面水N、P浓度, 减少了径流损失的风险。但不施肥条件下会造成水稻分蘖不足, 从而影响产量。因此, 在实践应用时应在分蘖期补施一定的化肥或者在分蘖期采用更高N、P浓度的污水进行灌溉。稻田生活污水灌溉下保证高产可持续的N、P肥适宜运筹仍有待于进一步深入研究。